Verwondering over de kosmos: ‘Op elk moment kan er een nieuw universum ontstaan’

Via de weg van de wiskunde reist amateurwetenschapper Dirk Vanwalle door de kosmos. Hij beschrijft gouden planeten, de eindeloosheid van het heelal en de schoonheid van de wetenschap. ‘Naar de ruimte kijken geeft me een gevoel van spiritualiteit.’

Sommige mensen hebben er geen moeite mee om de stap te zetten van het allerkleinste in het universum naar het allergrootste. Ze gebruiken daarbij de passe-partout van de wiskunde. Ingenieur en amateurwetenschapper Dirk Vanwalle is zo iemand. Vijf jaar geleden publiceerde hij een indrukwekkend, bijna schrikaanjagend dik boek over de kwantumfysica. Nu komt hij met een even indrukwekkend boek over de kosmos. Het is geen werk om eventjes voor het slapengaan in te kijken. De auteur raadt aan om een jaar te doen over de lectuur.

Zelf ziet hij zijn nieuwe boek gewoon als een vervolg op het eerste: ‘Ik geloof sterk in het belang van levenslang studeren. Twintig jaar heb ik bijna elke avond wat tijd uitgetrokken om me te verdiepen in de fundamenten van de wetenschap. Hét fundament is de kwantumfysica. Ze legt uit hoe de wereld functioneert. Kosmologie is er een logisch vervolg op. De kosmos ontstond uit kwantumfysische gebeurtenissen. Hij is het resultaat van de evolutie van de kwantumfysica naar het macroscopische niveau.’

In tegenstelling tot de kwantumwereld kun je een stukje van de kosmos daadwerkelijk zien. Geeft dat toch geen beter beeld?

Dirk Vanwalle: Ik word overspoeld door een vreemd gevoel van spiritualiteit als ik ’s nachts omhoog kijk. Ook naar de beelden gemaakt door de Hubble-ruimtetelescoop kan ik met grote bewondering kijken. Wij zijn in feite blind en doof als we naar de kosmos kijken. Het spectrum van licht- en geluidsgolven dat we met onze ogen en oren kunnen capteren, is veel te bescheiden voor observaties van de ruimte. Maar ruimtetelescopen kunnen veel bredere spectra aan, dus ze zien meer. Dit najaar wordt de nieuwe James Webb-ruimtetelescoop gelanceerd. Dan zullen we veel verder in het heelal kunnen kijken dan nu mogelijk is. Ik kan niet wachten tot de eerste beelden ons zullen bereiken.

Bent u een fervent sterrenkijker? U geeft in uw boek een ruime catalogus van sterren.

Vanwalle: Ik ben meer geïntrigeerd door de grote structuren, zoals sterrenstelsels, hoewel ik natuurlijk erg kan genieten van een nachtje sterrenkijken. Vorig jaar kon ik met de krachtige sterrenkijker van een vriend het stelsel Andromeda bekijken. Ook daar putte ik een aangenaam gevoel van spiritualiteit en zelfs romantiek uit.

Volgens uw boek is Andromeda wel de vijand: over 5 miljard jaar zal het stelsel clashen met onze Melkweg.

Vanwalle: (lacht) Dat schijnt zo te zijn. Berekeningen suggereren dat, en ze zijn nog niet weerlegd. De afstand tussen sterren in een stelsel is wel gigantisch groot. De afstand tot de dichtst bij onze zon gelegen ster, Proxima Centauri, is ongeveer 4 lichtjaren. Dus zelfs als twee sterrenstelsels botsen, is de kans klein dat sterren elkaar zullen raken. Maar we weten niet wat de invloed van de allesbepalende zwaartekracht op de gevolgen van de botsing zal zijn. Gelukkig hoeven we ons daar geen zorgen over te maken, want tegen dan zullen er al lang geen mensen meer zijn.

U stelt in het boek ook dat de aarde zich ten tijde van de dinosaurussen aan de andere kant van de Melkweg bevond.

Vanwalle: Zoals veel in de ruimte draait de Melkweg om zijn as. De dinosaurussen zaten inderdaad aan de andere kant. Maar de positie in de Melkweg maakt geen verschil voor het leven op aarde. Dat hangt alleen af van onze positie ten opzichte van de zon.

U sluit niet uit dat er planeten bestaan die uit goud en diamant zijn samengesteld.

Vanwalle: Ze zullen er niet integraal uit bestaan, maar deels. Een ster ontploft aan het einde van haar leven. De kracht van de ontploffing hangt af van de massa van de ster – zware sterren eindigen als onzichtbare zwarte gaten waarvan je het bestaan alleen kunt aantonen door hun effect op andere hemellichamen. Zoals bij veel verbrandingsprocessen – denk aan de as in een open haard – blijft er na zo’n ontploffing vooral koolstof achter, en diamant is een pure koolstofstructuur. Bij de ontploffing komt er ook zo veel energie vrij dat er onder druk van de zwaartekracht extra elektronen in de resterende ijzerkernen geduwd worden. Die vormen dan zwaardere elementen als cadmium of zelfs goud. Ons zonnestelsel zou het resultaat zijn van een derde generatie sterontploffingen, waardoor we verhoudingsgewijs veel zware chemische elementen hebben. Het is denkbaar dat er elders vooral goud en diamant in planeten terechtkomt.

U kijkt naar de wereld via de taal van de wiskunde. Wat is er zo speciaal aan dat het dit soort inzichten mogelijk maakt?

Vanwalle: De natuur is gebaseerd op onze wiskunde. De grote wiskundige vergelijkingen van briljante geleerden als Isaac Newton en Albert Einstein zijn echt fundamenteel om te begrijpen hoe de wereld functioneert. Je kunt de natuur niet op een andere manier benaderen.

Er is het eeuwige debat over de vraag of wiskunde een ontdekking dan wel een uitvinding is. Iets wat we gevonden hebben, of uitgevonden?

Vanwalle: De wiskunde is ingebakken in de natuur. Natuur op zijn kleinste niveau is pure wiskunde. Mijn stelling is dat je de natuur alleen maar exact-wetenschappelijk kunt benaderen via de wiskunde.

Toch stelt u ergens in uw boek dat wiskunde niet noodzakelijk de realiteit weerspiegelt.

Vanwalle: Het is een allegorie, zoals de fameuze schaduwen in de grot van de Griekse filosoof Plato. Maar we hebben wiskunde nodig, omdat we de natuur anders helemaal niet kunnen doorgronden.

Is het denkbaar dat het beeld dat zo gecreëerd wordt, fundamenteel fout is?

Vanwalle: (na een korte stilte) We hebben in de coronacrisis geleerd dat we moeten leren leven met wetenschappelijke onzekerheden, over het succes van vaccinaties bijvoorbeeld. Ook in risicoanalysen voor het bedrijfsleven, waar ik vertrouwd mee ben, zijn de onzekerheden relatief groot als je ze vergelijkt met die in de fysica. Zo weten we dat de waarnemingen van het higgsboson, een elementair deeltje dat in 2012 ontdekt werd en dat andere elementaire deeltjes hun massa geeft, een nauwkeurigheid van 99,9994 procent hebben. Maar zelfs dat is geen 100 procent, dus ook die geven geen absolute zekerheid. Tegelijk kunnen we ook niet bewijzen dat we er niet naast zitten.

We hebben geen alternatief dan verder te werken met wat er is?

Vanwalle: Nee, maar er zitten geen fundamentele contradicties in wat we al weten.

Er zijn wetenschappers die beweren dat het standaardmodel dat alle bestaande fysische kennis samenvat, zo ingewikkeld is dat het nooit kan worden gebruikt om oplossingen te zoeken.

Vanwalle: Het kan oplossingen bieden, maar niet door eenvoudige berekeningen van mensen, wel met krachtige computers. Het is héél ingewikkeld, omdat het veel variabelen bevat die je tegelijk moet kunnen behandelen. Maar voor mij is wetenschap meer een kwestie van vragen stellen en opnieuw vragen stellen dan van de ultieme oplossing vinden. Er is geen einde aan de kennis die we kunnen vergaren.

Maximaal 5 procent van wat zich in de kosmos bevindt, is zichtbaar. Is dat storend?

Vanwalle: Nee, wetenschappers houden van vragen. De kosmos bestaat voor 70 procent uit donkere energie waar we niets van weten. Ook het grootste deel van de materie is donker, dus onzichtbaar. Die kunnen we ‘zien’ via haar invloed op andere hemellichamen. Maar we hebben onze handen voorlopig goed vol met proberen te begrijpen wat we wel kunnen zien.

Volgens de kosmologische stand van zaken begon alles met een Grote Oerknal, een concept dat voortvloeide uit het werk van de Belgische priester Georges Lemaître.

Vanwalle: In 1927 publiceerde Lemaître inderdaad als eerste – maar helaas in het Frans, zodat zijn ontdekking wat onder de radar bleef – de vaststelling dat het heelal altijd maar blijft uitdijen. Het moest bijgevolg in één punt begonnen zijn. De Britse astronoom Fred Hoyle maakte dat in 1929 ook mathematisch mogelijk. Hoe verder het heelal uitdijt, hoe harder het gaat. Later is ontdekt dat de snelheid mee bepaald wordt door zowel materie als straling en de kromming van de ruimte, maar de basis van de ontdekking van Lemaître en Hoyle blijft overeind.

U schrijft dat Lemaître in 1951 door paus Pius XII werd ontvangen en te horen kreeg dat zijn model perfect spoorde met het concept van een goddelijke schepping.

Vanwalle: Wat Lemaître meteen tegensprak. Hij voerde aan dat het beter zou zijn om kosmologie en religie uit elkaar te houden. De Grote Oerknal, een term die pas in 1950 gelanceerd werd, is geen schepping van de wereld door een god.

U weidt in uw boek uit over de moeilijke relatie tussen wetenschap en godsdienst.

Vanwalle: Het is een delicaat thema. Ik ben zelf ongelovig, of beter: agnost, ik beken dat ik het niet weet. Maar ik denk dat we met wetenschap veel meer over de wereld te weten zullen komen dan met religie. Ik geloof wel dat religie veel mensen een houvast kan bieden, maar er zijn natuurlijk ook de excessen. Ik vind het wel jammer dat men in ons onderwijs kinderen van zes jaar al de basiselementen van religie wil opdringen. Ik meen dat het beter pas vanaf een jaar of zestien zou gebeuren, als ze er zelf een oordeel over kunnen vellen.

Er is een tendens in de natuurkunde om de Grote Oerknal niet als een begin te zien, maar als iets cyclisch wat regelmatig terugkomt.

Vanwalle: Om daar beter zicht op te krijgen moet je een aantal fundamentele kwantumfysische kwesties aanpakken, zoals de vraag of het mogelijk is dat er ‘iets’ ontstaat uit ‘niets’. Dat kan wel degelijk. Er kan worden aangetoond dat er energie aanwezig is in een absoluut vacuüm. Je kunt ook kwantumfluctuaties beschrijven: opstootjes van energie in het vacuüm die ogenblikkelijk weer verdwijnen, zoals bellen in een bubbelbad. Dat impliceert dat er energie in een vacuüm kan ontstaan. De fantastische wiskundige golfvergelijking van Erwin Schrödinger zegt dat elk kwantumelementje zowel een punt als een golf kan zijn. Maar ze zegt ook dat vanuit wiskundig oogpunt nul energie niet kan bestaan.

Er moet dus altijd iets zijn?

Vanwalle: Dat is wat de wiskunde van Schrödinger en de algemene relativiteitstheorie van Einstein zeggen. Maar om het te bewijzen zouden we voorbij de Grote Oerknal naar het verleden moeten kunnen kijken, en ik weet niet of dat ooit mogelijk zal zijn. We zijn nog altijd op zoek naar sporen van de Grote Oerknal zelf in de kosmische achtergrondstraling. Wat er voor de Grote Oerknal was, is momenteel pure speculatie. Volgens sommige wetenschappers zijn kwantumfluctuaties zelfs van die aard dat er op elk moment een nieuw universum uit kan ontstaan.

Weten we hoe groot de kosmos is?

Vanwalle: Bij benadering. Zijn doormeter wordt geraamd op 92 miljard lichtjaren. De Grote Oerknal zelf zou zo’n 13,8 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden, maar door de versnelling van de uitdijing is het heelal veel groter geworden dan kon worden verwacht op basis van de eenvoudige relatie tussen tijd en afstand.

U spreekt in uw boek verrassend weinig over het einde in de vorm van een Grote Oerkraak: het heelal dat opnieuw compleet in elkaar klapt.

Vanwalle: Volgens de kosmische constante van Einstein zal het heelal altijd blijven uitdijen. De oorspronkelijke titel van mijn boek was: ‘Het einde zal donker, koud en eenzaam zijn’, maar mijn lectoren vonden dat te deprimerend. Niemand weet wat er voorbij die 92 miljard lichtjaren zit, en dat zullen we ook nooit te zien krijgen.

Kunt u zich dat wiskundig voorstellen: de eindeloosheid?

Vanwalle: Nee, dat is metafysica. Ik probeer het zelfs niet. Wij zijn op de aarde in 1905 begonnen met radio-uitzendingen. Die draaien op elektromagnetische golven die zich voortbewegen met de snelheid van het licht. De eerste golven bevinden zich momenteel dus op zo’n 115 lichtjaren van de aarde. De afstand tot het hart van de Melkweg is 26.000 lichtjaren. We kunnen ons dus amper iets voorstellen bij 92 miljard lichtjaren en verder. De analyse van de radiogolven impliceert wel dat we er niet op hoeven te rekenen dat we ooit contact zullen leggen met levende wezens op andere planeten. Dat is fysisch uitgesloten.

Denkt u dat het mogelijk is dat de mens Mars koloniseert?

Vanwalle: Technisch zou het mogelijk moeten zijn, met grote constructies. Maar het zou wel essentieel zijn dat we water vinden, al was het maar als energiebron – water is een eindeloze bron van energie. Er moeten veel voorwaarden vervuld worden voor leven op een andere planeet, maar we kennen ze. We moeten ze alleen technologisch ingevuld krijgen. Ik meen wel dat het verstandig is dat we werken aan een ontsnappingsplan voor over een paar honderd jaar. We zijn absoluut niet vriendelijk in onze omgang met de aarde.

Bent u kandidaat-ruimtevaarder, bijvoorbeeld met een commerciële vlucht van Amazon of Virgin Galactic?

Vanwalle: (lacht) Ik heb hoogtevrees, ik zou al bang zijn om in zo’n raket te moeten kruipen. Ik voel me veel gelukkiger door vanachter mijn bureau te berekenen hoe ver we zouden kunnen raken.

U hebt nu het allerkleinste in detail beschreven én het allergrootste. Is er nog een vervolg mogelijk?

Vanwalle: Ik ga ermee stoppen. Het is mijn laatste boek geweest. Maar ik zal wel blijven studeren. Altijd! Er is nog zo veel om te leren.